Flexible Korrektur nichtlinearer, dreidimensionaler Drift im Rasterkraftmikroskop mittels Datenfusion

Drift ist eine weitverbreite Störgröße in der Rastersondenmikroskopie, die zu einer erheblichen Verzerrung von gemessenen Probentopographien führen kann. Um höchste Genauigkeiten bei der Messung von Probentopografien zu erzielen, müssen neben klassischen Maßnahmen zur Verringerung der Drift, softwarebasierte Verfahren zur Driftkorrektur eingesetzt werden. Bisherige Ansätze konnten Drift entweder mit guter zeitlicher Auflösung, aber nicht in allen drei Koordinatenachsen, oder in allen drei Achsen, aber nur mit geringer zeitlicher Auflösung korrigieren. Es wurde nun ein neuartiger Korrekturansatz entwickelt, mit dem Drift in allen drei Raumachsen mit deutlich verbesserter zeitlicher Auflösung korrigiert werden kann.

Grundidee des neuen Ansatzes ist die Aufnahme einer Sequenz mehrerer kurzer Messungen mit geringer lateraler Auflösung statt nur einer einzelnen hoch aufgelösten Messung. Zum Korrigieren der Drift kann ausgenutzt werden, dass neben den Verzerrungen auch räumliche Verschiebungen der gemessenen Probentopographie zwischen den Messbildern einer Sequenz hervorgerufen werden. Diese Verschiebungen können in allen drei Raumachsen analysiert und genutzt werden, um den zeitlichen Verlauf der Drift zu rekonstruieren. Nachdem die Verzerrungen und Verschiebungen der niedrig aufgelösten Messbilder unter Einsatz des rekonstruierten Driftverlaufs korrigiert wurden, lassen sich diese zu einem Bild hoher Auflösung fusionieren. Ein Beispiel dafür ist in Abbildung 1a) und 1b) gezeigt. In 1a) wurde eine 2D-Gitterstruktur mit 100 nm Periodizität in 64 Messungen mit einer lateralen Auflösung von jeweils 40 nm erfasst. In b) wurden diese 64 Messbilder nach der Korrektur von bis zu 50 nm Drift zu einem einzigen Messbild mit 5 nm Auflösung fusioniert. Dieses kann wie das Messbild 1c), dass in einer einzigen langen Messung aufgenommen wurde und damit durch Drift verzerrt ist, z. B. zur Auswertung der Orthogonalität der Gitterstruktur verwendet werden. Während die Orthogonalität der Gitterstruktur durch zwei „konventionelle“ Messungen nur als recht stark voneinander abweichende Messwerte 89,29 ° und 89,57 ° ermittelt werden konnte, wurden durch zweifachen Einsatz des Driftkorrekturverfahrens deutlich besser wiederhohlbare Ergebnisse 89,99 ° und 90,04 ° ermittelt.

Vorteil des neuen Ansatzes gegenüber anderen Korrekturansätzen ist, das eine große Zahl kurzer Messungen vorgenommen werden kann, die einerseits die Bestimmung dreidimensionaler Drift mit guter zeitlicher Auflösung ermöglichen, andererseits aber nur eine moderate Zunahme der gesamten Messzeit hervorrufen, da insgesamt keine zusätzlichen Messdaten aufgenommen werden müssen.


Bild 1: a): Einzelnes niedrig aufgelöstes Messbild, b): Durch neuartiges Driftkorrekturverfahren erzeugtes, hoch aufgelöstes Messbild, c): Durch Drift beeinflusstes, hoch aufgelöstes Messbild aus einer einzelnen langen Messung

Literatur:

1) Johannes Degenhardt, Rainer Tutsch, Gaoliang Dai 2020 Flexible correction of 3D non-linear drift in SPM measurements by data fusion, Meas. Sci. Technol. 32 035005